一种基于多传感器信息融合的智能跟随机器人及控制方法与流程

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种基于多传感器信息融合的智能跟随机器人及控制方法。

背景技术：

随着科学技术的进步，各种高性能传感器、处理器被广泛应用于移动机器人领域，使其逐渐成为了集环境感知、动态决策和行为控制为一体的综合智能体。

在工作、生活、娱乐过程中的许多场景，都存在着某个载体跟随人类运动的情况，如机场的行李箱、广场上的婴儿车、超市购物车、高尔夫球场小车及工业生产中的物流小车等，如果能研制一种在多场景下的智能跟随的机器人，将能够解放人类的双手，使人类的生产、生活和娱乐更加轻松，使人类能够享受到智能跟随机器人带来的便利。

仓储物流系统中的AGV小车，装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿设定的路线行驶。以色列“灵性机器人”公司利用摄像头传感器与驱动装置，实现行李箱跟随主人运动。

现有的智能跟随技术大多是利用GPS定位或视觉跟踪，但二者都存在着一定的弊端。如GPS定位只适用于室外场景，且民用精度不高；而视觉跟踪受环境影响较大，识别精度不高，且受视距传播限制，无法解决狭小空间的直角转弯问题。仓储物流系统常用的AGV小车只能按照固定路线行驶，智能化程度不高。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明提供了实现机器人的智能跟随、且解决狭小空间的直角转弯问题、适用于室内、室外多场景的基于多传感器信息融合的智能跟随机器人及控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于多传感器信息融合的智能跟随机器人，包括机器人本体和人体携带模块，其特征在于：所述的机器人本体包括机器人主控单元、测距传感器，所述的人体携带模块包括携带端主控单元、导航模块、通信模块，导航模块集成有陀螺仪、加速度计和地磁场传感器，机器人本体接收到蓝牙传输的人体携带端姿态数据，融合测距传感器信息，将控制指令发送给驱动器，由驱动器控制驱动轮前进、后退与转向。

一种基于多传感器信息融合的智能跟随机器人，其特征在于，包括机器人本体和人体携带模块，其特征在于：所述的机器人本体包括机器人主控单元、测距传感器、通信模块，所述的人体携带模块包括携带端主控单元、通信模块，在机器人本体设有若干通信模块，人体携带模块设有若干通信模块，通过机器人本体和人体携带模块接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而测定人相对于机器人的方位与距离，通过机器人本体的机器人主控单元控制机器人行进路线。

所述的通信模块为蓝牙模块、WIFI模块、ZigBee模块、RFID模块或红外传感器。所述的测距传感器为超声传感器、红外传感器或激光传感器。

一种基于多传感器信息融合的智能跟随机器人的控制方法，以主人随身携带的人体携带模块为跟踪目标，利用磁场传感器、陀螺仪、加速度传感器、测距传感器的信息融合，确定主人与机器人本体的相对位置，运用通信模块传输给机器人主控单元，通过驱动器控制电机转动，从而实现机器人智能跟随主人前进、转弯与后退。

控制方法，使机器人端控制单元、驱动器、电机、测距传感器处于工作状态，并使陀螺仪与通信模块开始工作；由测距传感器检测到主人与机器人本体的距离，导航模块集成陀螺仪、加速度计和地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够实现快速获得人体携带模块实时运动姿态，通过通信模块实时传输，实时反馈给主控单元。当机器人与主人距离大于1米时，机器人跟随前进，并配有四级调速机制，以实现根据主人行进速度确保机器人有效跟随；当机器人距主人1米时，停止前进，如果角度不变，则机器人保持静止；当机器人距主人小于0.5米时，机器人倒退行驶；机器人通过超声传感器检测障碍并附有急停功能。

或者，通过机器人本体和人体携带模块接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而测定人相对于机器人的方位与距离，通过机器人本体的机器人主控单元控制机器人行进路线。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明为基于多传感器信息融合的智能跟随机器人，是一个集环境感知、规划决策、自动行驶功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机技术、传感技术、信息技术、通信技术、导航及自动控制技术等。

智能跟随机器人以主人随身携带的装置为跟踪目标，利用磁场传感器、陀螺仪、加速度传感器采集方向及角度信息，通过蓝牙收发模块传输至机器人本体，并辅以超声波测距模块、电机驱动模块，实现机器人的智能跟随。

智能跟随机器人可适应餐厅、机场、超市、游乐场、公园、海滩、步行街等室内、室外多种环境，真正做到解放人类的双手、双眼，免除人类操控劳动，具有广泛的应用、可观的经济效益和较大的社会影响力。

附图说明

图1为人体携带模块组成示意图；

图2为机器人本体的组成示意图；

其中，1携带端电源开关，2锂电池，3携带端主控单元，4导航模块，5蓝牙模块，6机器人主控单元，7超声传感器，8驱动器，9电机，10电源开关，11机器人本体电源，12驱动轮，13万向轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明为基于多传感器信息融合的智能跟随机器人，以主人随身携带的装置为跟踪目标，利用磁场传感器、陀螺仪、加速度传感器、超声模块的信息融合，确定主人与机器人的相对位置，运用BLE技术，传输给主控模块，通过驱动器控制电机转动，从而实现机器人智能跟随主人前进、转弯与后退的功能。

人体携带模块组成如图1：

由锂电池2为携带端主控单元1、导航模块4、蓝牙模块5供电；导航模块集成陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，将数据通过蓝牙传输给机器人主控单元6。

机器人本体组成如图2：

机器人本体接收到蓝牙传输的人体携带端姿态数据，融合超声传感器7检测到的信息，将控制指令发送给驱动器8，由驱动器控制驱动轮12前进、后退与转向。同时，机器人具有急停与避障功能。机器人本体还设有万向轮13、机器人本体电源11、电源开关10。

为实现机器人自动跟随主人前进，需先打开机器人本体电源11，使机器人主控单元6、驱动器、电机9、超声传感器处于工作状态，再打开人体携带端电源开关1，使陀螺仪与蓝牙开始工作。由超声传感器检测到主人与机器人本体的距离，陀螺仪检测到主人与机器人本体的角度关系，通过蓝牙实时传输，实时反馈给主控单元。当机器人与主人距离大于1米时，机器人跟随前进，并配有四级调速机制，以实现根据主人行进速度确保机器人有效跟随；当机器人距主人1米时，停止前进，如果角度不变，则机器人保持静止；当机器人距主人小于0.5米时，机器人倒退行驶。机器人通过超声传感器检测障碍并附有急停功能。

本发明利用陀螺仪、加速度计、地磁场传感器、超声传感器等多种信息融合，实现了室内、室外多场景的智能跟随。

本发明使用陀螺仪、加速度计和地磁场传感器，将不受室内室外限制，优于GPS跟踪。

本发明与摄像头传感器相比，不受外部光线影响，可适用光线较暗或亮度不断变化的场景。

本发明不受视距传播限制，比摄像头传感器具有一定的优越性，且数据量、数据传输速度和数据处理复杂度方面明显优于摄像头传感器的跟踪方式。

本发明使用BLE技术，兼顾了低能耗与无线传输。

本发明使用了陀螺仪、加速度计、地磁、超声等多种传感器，实现了多种传感器信息的融合，达到了较好的跟踪效果。

本发明实现急停与避障不仅仅限于超声传感器，其它能实现无线测距的传感方式如红外测距、激光测距等方式在本专利保护范围内；无线传输不仅仅只限于BLE技术，其它如WIFI、ZigBee、RFID、红外等无线传输方式在本专利保护范围内。

还可以运用RSSI技术，在机器人本体放置3个BLE模块，人体携带端放置1个BLE模块，通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而测定人相对于机器人的方位与距离，通过机器人本体的主控单元控制机器人行进路线。

BLE：Bluetooth Low Energy，蓝牙低能耗技术。

ZigBee：ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

RFID：Radio Frequency Identification，无线射频识别技术。

RSSI：Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示，通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。